第1章電機學(xué)基礎(chǔ)知識課件

二、按運動方式及電源性質(zhì)分類電機靜止電機-----------------變壓器旋轉(zhuǎn)電機直流電機交流電機異步電機同步電機控制電機直流發(fā)電機直流電動機異步發(fā)電機異步電動機同步發(fā)電機同步電動機電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/202311.電與電機的發(fā)展概況三、電、電機與電力拖動的發(fā)展史在公元585年，泰勒斯發(fā)現(xiàn)了摩擦起電；

1672年格里凱解釋了摩擦起電；

1746年荷蘭的莫伸布洛克在萊頓鎮(zhèn)制造了萊頓瓶；

1752年美國的富蘭克林解釋了雷和電的關(guān)系。十八世紀(jì)末和十九世紀(jì)初，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要，在電磁方面的研究工作發(fā)展的很快。1785年庫侖首先從實驗室中確定了電荷間的相互作用力，即庫侖定律，使電荷的概念開始有了定量的意義。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/202321820年丹麥的奧斯特從實驗室中發(fā)現(xiàn)了電流對磁針有力的作用，揭開了電學(xué)理論新的一頁；同一年德國的安培確定了通過有電流的線圈其作用與磁鐵相似，這指出了磁現(xiàn)象的本質(zhì)問題；

1826年德國的歐姆在通過實驗而得出歐姆定律；電機與電力拖動的發(fā)展概況

1831年英國的法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，為研制各種電機奠定了重要的理論基礎(chǔ)；法拉第與最早的發(fā)電機——法拉第盤6/12/20233

1832年皮克斯在電磁感應(yīng)理論的指導(dǎo)下，制造了第一臺發(fā)電機；電機與電力拖動的發(fā)展概況

1833年楞次建立了確定感應(yīng)電流方向的原則；皮克斯發(fā)明的直流發(fā)電機其后他致力于電機理論的研究并闡明了電機的可逆性原理。

1834年雅比克制造出世界第一臺電動機，從而證明了實際應(yīng)用電能的可能性。6/12/20234雅可比發(fā)明的世界上第一臺電動機模型與實用電動機6/12/20235

1838年，俄國人用一臺直流電動機拖動輪船，以4km/h的速度逆流而上和順流而下，這是最早的實用電動機。

1845年用電磁鐵代替了永久磁鐵，此前電機中的磁極是用永久磁鐵制造的。電機與電力拖動的發(fā)展概況

1866年，德國科學(xué)家西門子制成的第一臺自激式發(fā)電機，標(biāo)志著制造大容量發(fā)電機技術(shù)的突破，具有劃時代的意義。6/12/20236

Siemens和他的自激式發(fā)電機6/12/20237

1886年，特斯拉研制出兩相異步電動機。特斯拉與他發(fā)明的兩相異步電動機

1885年，費那里斯發(fā)現(xiàn)了兩相電流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。6/12/20238電機工程得以飛躍發(fā)展是與俄羅斯杰出的工程師多里沃－多勃羅沃爾斯基的工作分不開的，他是三相電路系統(tǒng)的創(chuàng)始者；他在1889年相繼發(fā)明和制造出三相異步電動機和三相變壓器，并首先采用了三相輸電線，使電機基本定型。一個多世紀(jì)以來，電機的基本結(jié)構(gòu)似乎并沒有多大的變化，但電機的類型有了很大的發(fā)展，在運行性能、經(jīng)濟指標(biāo)等方面都有了很大的改進和提高。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/20239隨著自動控制系統(tǒng)和計算機裝置的發(fā)展，在一般旋轉(zhuǎn)電機的理論基礎(chǔ)上，又發(fā)展了許多種可靠性，高精度、快速響應(yīng)的控制電機，成為電機學(xué)科的一個獨立的分支。我國的電機工業(yè)在建國以來發(fā)生了巨大的變化。現(xiàn)在已建立了自己的工業(yè)體系，有統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的電機、變壓器系列，能生產(chǎn)成套的大、小型火力和水力發(fā)電設(shè)備，基本上能生產(chǎn)滿足國民經(jīng)濟生產(chǎn)需要的各種電機。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/2023102．電力拖動的發(fā)展概況最初電動機拖動代替了蒸汽或水力的拖動；當(dāng)時電動機拖動生產(chǎn)機械的方式是通過天軸來實現(xiàn)的，稱為“成組拖動”。即由一臺電動機拖動一組生產(chǎn)機械，從電動機到各種生產(chǎn)機械的能量傳送以及在各生產(chǎn)機械之間的能量分配完全用機械的方式，靠天軸及機械傳動來實現(xiàn)。電動機遠離車間，車間內(nèi)有大量的天軸、長皮帶和皮帶輪等，能量在傳遞過程中損耗大、效率低、易出事故，若電動機發(fā)生故障，成組的生產(chǎn)機械將停產(chǎn)，這是一種落后的拖動方式。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/202311二十世紀(jì)以來，生產(chǎn)機械上廣泛采用“單電機拖動系統(tǒng)”，即一臺生產(chǎn)機械由一臺單獨的電動機拖動；電動機與生產(chǎn)機械在結(jié)構(gòu)上密切配合，從而進一步簡化機構(gòu)容易實現(xiàn)生產(chǎn)機械運動的全部自動化。用一臺電動機拖動具有多個工作機構(gòu)的生產(chǎn)機械，則機械內(nèi)部仍保留著復(fù)雜的機械傳動機構(gòu)；從上世紀(jì)三十年代起，廣泛采用了“多電機拖動系統(tǒng)”，即每一個工作機構(gòu)用單獨電機帶動，這樣生產(chǎn)機械結(jié)構(gòu)大大簡化；例對銑床來說共有3臺電機即主軸電機、進給電機和冷卻電機。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/202312隨著生產(chǎn)機械的發(fā)展，對上述單機、多機拖動系統(tǒng)提出了更高的要求：要求提高加工精度與工作速度，要求快速起動、制動及反轉(zhuǎn)。實現(xiàn)在寬廣范圍內(nèi)調(diào)速及整個生產(chǎn)過程自動化等。完成這些任務(wù)，除電動機外，還需有其他裝置，組成自動化的電機拖動系統(tǒng)。隨著電機及電器制造工業(yè)及各種自動化元件的發(fā)展，自動電力拖動系統(tǒng)得到不斷的更新發(fā)展。最初采用的控制系統(tǒng)是繼電器—接觸器型的。屬于有觸點斷續(xù)控制系統(tǒng)。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/202313隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無觸點控制系統(tǒng)已被大量采用，從分離元件到集成電路，直到近幾年來的微機處理系統(tǒng)。由于有觸點控制系統(tǒng)有其獨特的優(yōu)點，目前仍被廣泛采用。建國以來，電力拖動自動化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有了很大的成績，建立了一些有一定電力拖動自動化水平的工廠，建立了一批科研與設(shè)計機構(gòu)，自行設(shè)計和制造了一批具有一定水平的生產(chǎn)自動線。但與先進國家相比差距較大；控制電機方面，由于我們起步較晚，差距更大。電機與電力拖動的發(fā)展概況6/12/202314電機與電力拖動的發(fā)展概況

專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。了解各類電機的基本結(jié)構(gòu)。

理解電機中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

掌握電機穩(wěn)態(tài)運行時的分析方法和運行性能。

理解電機穩(wěn)態(tài)運行時各種參數(shù)的物理意義，并能熟練應(yīng)用等效電路和相量圖。通過實驗，掌握電機的基本實驗方法和電機使用的基本技能。四、本課程的性質(zhì)和任務(wù)6/12/202315電機與電力拖動的發(fā)展概況變壓器電機動力電機控制電機直流電機交流電機異步電機同步電機電機：發(fā)電機和電動機。電能機械能電動機發(fā)電機磁場水能熱能風(fēng)能原子能五、教學(xué)內(nèi)容6/12/2023161.2電機的基本原理一、磁感應(yīng)強度磁感應(yīng)強度B

表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。磁感應(yīng)強度B的大小磁感應(yīng)強度B的方向

與電流的方向之間符合右手螺旋定則。磁感應(yīng)強度B的單位:

特斯拉(T)，1T=1Wb/m2

1.2.1磁場的基本物理量6/12/202317磁場的基本物理量二、磁通磁通：穿過垂直于B方向的面積S中的磁力線總數(shù)。

說明:

如果不是均勻磁場，則取B的平均值。在均勻磁場中=BS或

B=/S

磁感應(yīng)強度B在數(shù)值上可以看成為與磁場方向垂直的單位面積所通過的磁通,故又稱磁通密度。磁通的單位:韋[伯](Wb)1Wb=1T·m2均勻磁場:

各點磁感應(yīng)強度大小相等，方向相同的

磁場，也稱勻強磁場。6/12/202318

H與B的區(qū)別①H∝I，與介質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。②

B與電流的大小和介質(zhì)的性質(zhì)均有關(guān)。磁場的基本物理量磁場強度H的單位：安培/米（A/m)三、磁場強度磁場強度H

：表示磁場內(nèi)某點磁場強弱和方向的物理量。是計算磁場時所引用的一個物理量，通過它來確定磁場與電流之間的關(guān)系。6/12/202319磁場的基本物理量由實驗可測得：真空的磁導(dǎo)率為：真空磁導(dǎo)率是一個常數(shù)，將其它物質(zhì)的磁導(dǎo)率和它比較是很方便的。四、磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率：表示磁場媒質(zhì)磁性的物理量，衡量物質(zhì)的導(dǎo)磁能力。它與磁場強度的乘積就等于磁感應(yīng)強度，即：磁導(dǎo)率的單位：亨/米（H/m）6/12/202320磁場的基本物理量也即當(dāng)磁場媒質(zhì)是某種物質(zhì)時某點的磁感應(yīng)強度B與在同樣電流下真空時該點的磁感應(yīng)強度B0之比的倍數(shù)。自然界的所有物質(zhì)按磁導(dǎo)率的大小，大體上可分為磁性材料和非磁性材料。相對磁導(dǎo)率

r：

任一種物質(zhì)的磁導(dǎo)率和真空的磁導(dǎo)率0的比值。6/12/202321磁通所通過的路徑稱為磁路。

1.2.2磁路及其基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i6/12/202322電機中常用的基本定律一、全電流安培環(huán)路定律沿任何一條閉合回線L，磁場強度H的線積分等于該閉合回線所包圍的電流的代數(shù)和

如果在均勻磁場中，沿著回線L

磁場強度H處處相等，則二、磁路的歐姆定律作用在磁路上的磁動勢

F

等于磁路內(nèi)的磁通量Φ乘以磁阻

RmF稱為磁動勢6/12/202323電機中常用的基本定律磁通量Φ等于磁通密度乘以面積

磁場強度等于磁通密度除以磁導(dǎo)率

于是W6/12/202324電機中常用的基本定律三、磁路的基爾霍夫定律1.磁路的基爾霍夫第一定律或閉合面i1i2Φ1Φ2Φ36/12/202325電機中常用的基本定律2.磁路的基爾霍夫第二定律6/12/202326電機中常用的基本定律四、電磁感應(yīng)定律在我們回顧的所有定律中這將是最重要的一個。簡單的說電磁感應(yīng)定律就是變化的電場附近會產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場附近會產(chǎn)生變化的電場。定義：無論何種原因使的與閉合線圈交鏈的磁鏈ψ隨著時間t變化時，線圈中將會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e根據(jù)原因的不同，感應(yīng)電動勢可分為以下兩類：6/12/202327電機中常用的基本定律1.變壓器電動勢指線圈位置靜止不變，穿過線圈的磁通Ф發(fā)生變化，這樣在線圈內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與線圈的匝數(shù)和磁通變化率成正比，方向由楞次定律決定2.切割（運動）電動勢當(dāng)磁場和線圈導(dǎo)體之間有相對運動時，使得穿過線圈的磁通隨著時間的變化而變化。此時的e叫做運動電動勢

e=Blv方向由右手定則判定。6/12/2023283.自感系數(shù)L由自感系數(shù)的定義而由磁路的歐姆定律所以結(jié)論：當(dāng)磁路為非線性時，自感系數(shù)是一個變量，隨磁路的飽和程度的增加而下降。稱為磁導(dǎo)電機中常用的基本定律6/12/202329電機中常用的基本定律

五、電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場中要受到力的作用，方向用左手定則判定。

f=Bil

在旋轉(zhuǎn)電機中，作用在轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體上的電磁力將使轉(zhuǎn)子受到一個力矩（等于力乘以轉(zhuǎn)子半徑），這個力矩稱之為電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩在電機的能量形態(tài)轉(zhuǎn)換起到重要的作用，以后會詳細研究它。

回顧右手定則，左手定則6/12/202330電機中常用的基本定律六、電路定律（1）歐姆定律：u=iR（2）基爾霍夫第一定律（電流定律）∑i=0（3）基爾霍夫第二定律（電壓定律）在電路中，對任一回路，沿回路環(huán)繞一周，回路內(nèi)所有元件的電壓代數(shù)和等于零，即

∑u=0。6/12/2023311.3制造電機所用的材料1.3.1概述制造材料主要包括：導(dǎo)磁材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、結(jié)構(gòu)材料、散熱材料、冷卻材料、潤滑材料等。導(dǎo)電材料：銅、鋁。導(dǎo)磁材料：各種成分的鑄鋼（電工鋼片）。

絕緣材料：各種絕緣紙、油性玻璃漆布、

有機硅玻璃粘帶、酚醛玻璃纖維壓塑料······

絕緣等級

YAEBFHC容許工作溫度/℃90105120130155180＞1806/12/2023321.3.2磁性材料的磁性能一、高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可達2105)

。磁性材料能被強烈的磁化，具有很高的導(dǎo)磁性能。磁性材料主要指鐵、鎳、鈷及其合金等。磁性物質(zhì)的高導(dǎo)磁性被廣泛地應(yīng)用于電工設(shè)備中，如電機、變壓器及各種鐵磁元件的線圈中都放有鐵心。在這種具有鐵心的線圈中通入不太大的勵磁電流，便可以產(chǎn)生較大的磁通和磁感應(yīng)強度。電機的制造材料6/12/202333

這些小磁鐵叫做“磁疇”。磁疇（磁化前）磁疇（磁化后）在外磁場的作用下，磁疇順著外磁場方向轉(zhuǎn)向，排列整齊，顯示出磁性。

磁性物質(zhì)具有高導(dǎo)磁性是由于內(nèi)部有很多被強烈磁化的小磁鐵。電機的制造材料6/12/202334電機的制造材料磁性物質(zhì)由于磁化所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限的增強。二、磁飽和性BJ

磁場內(nèi)磁性物質(zhì)的磁化磁場的磁感應(yīng)強度曲線；B0

磁場內(nèi)不存在磁性物質(zhì)時的磁感應(yīng)強度直線；B

BJ曲線和B0直線的縱坐標(biāo)相加即磁場的B-H

磁化曲線。OHBB0BJB?a?b磁化曲線當(dāng)外磁場增大到一定程度時，磁性物質(zhì)磁疇的磁場方向全部都轉(zhuǎn)向與外部磁場方向一致，磁化磁場的磁感應(yīng)強度將趨向某一定值，如圖。6/12/202335

B-H

磁化曲線的特征：

Oa段：B與H幾乎成正比地增加；

ab段：B的增加緩慢下來；

b點以后：B增加很少，達到飽和。OHBB0BJB?a?b有磁性物質(zhì)存在時，B與H不成正比，磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，隨H而變。

有磁性物質(zhì)存在時，與I不成正比。

磁性物質(zhì)的磁化曲線在磁路計算上極為重要，其為非線性曲線，實際中通過實驗得出。

OHB,B磁化曲線B和與H的關(guān)系電機的制造材料6/12/202336三、磁滯性磁性材料在交變磁場中反復(fù)磁化，其B-H關(guān)系曲線是一條回形閉合曲線，稱為磁滯回線。磁性材料中磁感應(yīng)強度B的變化總是滯后于外磁場變化的性質(zhì)。磁滯回線OHB????BrHc剩磁感應(yīng)強度Br(剩磁)：

當(dāng)線圈中電流減小到零(H=0)時，鐵心中的磁感應(yīng)強度。例如:永久磁鐵的磁性就是由剩磁產(chǎn)生的；自勵直流發(fā)電機的磁極，為了使電壓能建立，也必須具有剩磁。

電機的制造材料6/12/202337磁滯回線OHB????BrHC但剩磁也存在著有害的一面，例如，當(dāng)工件在平面磨床上加工完畢后，由于電磁吸盤有剩磁，還將工件吸住。為此要通入反向去磁電流，去掉剩磁，才能取下工件。矯頑磁力HC：使B=0所需的H值。磁性物質(zhì)不同，其磁滯回線和磁化曲線也不同。電機的制造材料6/12/202338幾種常見磁性物質(zhì)的磁化曲線a

鑄鐵

b

鑄鋼

c硅鋼片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.